Consortional assoc.: Identification of metabolites of biologically active ingredients and characterization of their chemical/ecotoxicological effects  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
112978
Type K
Principal investigator Mörtl, Mária
Title in Hungarian Konzorcium, társ p.: Neurotoxikus hatású biológiailag aktív vegyületek és metabolitjaik azonosítása, és hatásuk kémiai/ökotoxikológiai jellemzése
Title in English Consortional assoc.: Identification of metabolites of biologically active ingredients and characterization of their chemical/ecotoxicological effects
Keywords in Hungarian neonikotinoidok, ökotoxicitás, guttáció, környezeti sors
Keywords in English neonicotinoids, ecotoxicity, guttation, environmental fate
Discipline
Agrochemistry (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Panel Complex agricultural sciences
Department or equivalent Agro-EnvironmentalResearch Institute (AERI) (National Agricultural Research and Innovation Centre)
Participants Darvas, Béla
Fejes, Ágnes
Gál, Zsanett
Klátyik, Szandra
Székács, András
Takács, Eszter
Starting date 2014-09-01
Closing date 2019-08-31
Funding (in million HUF) 14.964
FTE (full time equivalent) 7.95
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Tervezett kutatásaink célja bizonyos neonikotionid vegyületek környezeti sorsának meghatározása speciális biológiai közegekben, valamint ökotoxikológiai hatásainak megállapítása in vitro és in vivo modellrendszerekben és terepi körülmények között, utóbbiakban – az intenzív mezőgazdasági felhasználás következtében – a környezetben előforduló, nem célfajok is érintettek lesznek. Habár a kiindulási molekulák bizonyos körülmények között (pl. UV-sugárzásnak kitéve) viszonylag gyorsan bomlanak, védett körülmények között (pl. a talajban, vízi üledékben) a vegyületek perzisztenciát mutatnak. A lebomlás során a támadáspont változása miatt a toxikus hatás is módosul. Ezért olyan bioindikátorokat és azokhoz köthető struktúrákat–mechanizmusokat keresünk, amelyek a neonikotinoid–támadáspont-kölcsönhatás következtében jól nyomon követhetőek.
1. Vizsgálni kívánjuk neonikotinoid vegyületek (thiamethoxam, clothianidine) eloszlását egyes növényi szervezetekben, a vegyületek metabolizmusának növényi szerv- és szövetfüggő alakulását, valamint ezen paraméterek koncentrációfüggését, illetve összefüggését különböző ökológiai paraméterekkel (élőhelyek vagy termesztési helyek, növényi közösségek, talajtulajdonságok stb.).
2. A neonikotionoidok és lebomlási termékeik felszívódásának és megjelenésének vizsgálata növények guttációs cseppjeiben laboratóriumi és terepi kísérletekben.
3. Összehasonlító vizsgálatokat végzünk különböző neonikotinoidok és lebomlási termékeik keverékeivel, standard toxicitási tesztekben és bioindikátorokkal valamint vízi szervezetek viselkedési tesztjeiben.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A neonikotinoidok ma a világon leginkább használt szintetikus rovarölő szerek. Felhasználásuk bevezetésük óta dinamikusan növekszik, mivel emlősökön csak enyhén toxikusak, ugyanakkor nagyon hatásosak más növényvédő szerekre már rezisztens rovarok esetében, amit a rovarok központi idegrendszerében a nikotin tipusú acetilkolin-receptorok modulálásával váltanak ki. A neonikotinoidok kiváló vízoldhatóságuk miatt felszíni vizek szennyezőiként is detektálhatók, lebomlási termékeik pedig szintén jelentős egészségügyi és környezeti kockázatot jelenthetnek. Már megdőlni látszik, hogy hatásuk elsősorban rovarokra szelektív, a keletkezett lebomlási termékek hatása miatt, ezért jelenlegi munkánkban összehangolt kutatásokat tervezünk különböző neonikotinoidok és azok lebomlási termékeinek vizsgálatára különböző megfigyelési szinteken természetes és laboratóriumi körülmények között egyaránt. A xilemnedv eredetű guttációs folyadék, ami az egyes növények leveleinek csúcsán vagy szélén választódik ki, újabb vizsgálatok szerint tartalmazza a neonikotinoid hatóanyagokat is például a méhekre veszélyes koncentrációban. Ezért tervezzük a kiválasztott származékok felszívódásának és megjelenésének vizsgálatát növények guttációs cseppjeiben laboratóriumi és terepi kísérletekben. A neonikotinoidok/metabolitok lehetséges hatásainak értékelésére ökotoxikológiai teszteket tervezünk, biokémiai tesztjeinkben a detoxifikációs folyamatokat, a metabolikus aktivitást, és a neurotoxikus hatásokat elemezzük.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A növényvédelemben nagy hatékonyságú és még szelektívebb hatóanyagok alkalmazására különösen fokozott igény mutatkozik napjainkban. Ezen új generációs rovarölő szerek számos kedvező tulajdonságuk miatt óriási mennyiségben kerülnek felhasználásra a mezőgazdaságban. Ugyanakkor a hatóanyagok önmagukban, lebomlási termékeikkel keveredve, illetve a lebomlási termékek formájában egyaránt jelentős környezeti kockázatot jelentenek. A téma aktualitását és jelentőségét az is mutatja, hogy e hatóanyagokat világszerte kapcsolatba hozzák a rendkívül súlyos rovarendémia, az ún. méhcsalád-összeomlási rendellenesség (Bee Colony Collapse disorder) jelenségével, melyre vonatkozóan az oksági összefüggést ezidáig nem igazolták. Ugyanakkor az előre nem látható veszélyekre tekintettel, az EU felfüggesztette bizonyos neonikotinoid-tartalmú szerek (imidacloprid, tiamethoxam és clothianidin) engedélyét, és további toxicitási vizsgálatokat tart szükségesnek a környezeti kockázatok megbízható becsléséhez, az elkövetkező két év új tudományos eredményeinek tükrében.
Modellrendszereink esetében a krónikus hatások miatt kialakuló biokémiai, reprodukciós, és az életképességi mutatók változásának nyomon követésével képet kaphatunk arról, mennyiben tekinthetőek a neonikotinoidok és lebomlási termékeik támadáspontjuk szempontjából szelektívnek, eredményeinkből a gerinces/gerinctelen állatok hosszú idejű kitettsége miatt várható hatásokat jelezhetjük. A neurotoxikus komponensek mennyiségi/minőségi azonosításával adatokat nyerhetünk a vegyületek különböző biológiai és környezeti viszonyok közötti lebomlásának/perzisztenciájának alakulásáról, valamint a mérések járulékos adatokat szolgáltatnak felszíni vizeink szennyezettségéről is a környezeti/egészségügyi kockázatok felméréséhez.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A kutatásunk célja rovarölő szerek, nevezetesen a neonikotinoidok hatásának, környezeti lebomlásának tanulmányozása. Ezek a vegyületek a rovarok idegrendszerérét ingerlik, ami végül halálukhoz vezet. A hatóanyagok permetező-, csávázó és talajfertőtlenítő szerekként kerülnek forgalomba. Felszívódó hatású vegyületekként a növényi nedvek szállítják szét őket, így biztosítva a kártevők elleni védettségüket. Párás körülmények között a nedvek cseppek formájában kiválnak a levelek csúcsán (guttáció), tartalmazva a betöményedett hatóanyagot is, amiből a rovarok ihatnak, és így a nem célszervezetek (pl. a beporzást végző méhek) is mérgeződnek. Mivel a rovarok a táplálékláncban fontos szerepet töltenek be például a madarak számára, ezért a tápláléklánc minden elemére, a környezetünkre is veszélyt jelenthetnek. Az Európai Bizottság tavalyi rendelete korlátozza bizonyos hatóanyagok alkalmazását, melynek felülvizsgálata két éven belül várható a további tudományos eredmények alapján.
Munkánk során tanulmányozni kívánjuk ezen vegyületek környezeti sorsának és lebomlásának alakulását, megjelenését a talajból való kioldódást követően a felszíni és talajvizekben. Mérjük a guttációs folyadékban kialakuló koncentrációkat, meghatározzuk a szántóföldi kultúrák melletti gyomok hatóanyag felvevő képességét. A vegyületek bomlása során olyan vegyületek is keletkeznek, melyek toxicitása más, mint a kiindulási vegyületeké, ezért laboratóriumi körülmények között különböző tesztszervezetek segítségével kívánjuk tanulmányozni a kiindulás és a bomlástermékek különböző arányú keverékeinek lehetséges hatását, feltérképezni a bomlást befolyásoló tényezőket, valamint modellezni a várható kockázatokat.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The goal of our research is to determine the environmental fate of neonicotinoids in special biological media, and their ecotoxicological impact in vitro and in vivo models and under field conditions. Due to intensive use of ingredients in agriculture non-target species in the environment are also exposed. Although starting molecules decompose readily under certain circumstances (e.g. UV radiation), but compounds show persistency under protected conditions (e.g. in soil, in aquatic sediment). Due to alteration of target during decomposition toxic effects will be modified. Thus, we search for bioindicators and structures-mechanisms, which are connected to interaction between neonicotinoid and target and can be followed easily

1. Distribution of neonicotinoid ingredients (thiamethoxam, clothianidin, imidacloprid) in plants, their decomposition in different tissues and dependency on concentration together with correlations between these factors and different ecological parameters (habitats or cultivation sites, soil characteristics etc.) will be investigated.
2. Ingredient uptake and appearance of neonicotinoids and their decomposition products in guttation liquid will be studied under laboratory and field conditions. Main goal is to explore the physical parameters (humidity, etc.) influencing the ingredient content of guttation liquid and to determine temporal variation of concentration ratios of starting material and their decomposition products.
3. We conduct comparative toxicology and biomarker analysis using neonicotinoids and their metabolites and behavioral experiments on aquatic systems.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

Neonicotinoids are the most widely used synthetic insecticides in the world. As they show low mammalian toxicity, but they are very effective to those insects also, which are resistant to other type of insecticides their share dynamically increase in the insecticide market. Their impact is based on modulation of nicotine type acetylcholine receptors (nAChR) of insects central nervous system. Due to their high water solubility they can be detected as contaminants in surface water and their decomposition products could enhance to health and environmental risk. Due to effects of their decomposition products they are selective not only to insects, therefore we plan in present project to investigate neonicotinoids and their decomposition products on different levels under laboratory and field conditions. Guttation liquid derived from xilem tissue that is exuded on the tips or along the edges of leaves contains neonicotinoid ingredients at dangerous concentrations (e.g. for honey bees). Therefore we will investigate the ingredient uptake and the appearance of selected derivatives in the laboratory and field experiments. To evaluate the possible effects of neonicotinoids, ecotoxicology tests will be conducted. Biochemical tests will be carried out by measuring enzyme activities as a sign of the detoxification processes, altered metabolic activities, and neurotoxicity.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Nowadays there is an especially high demand for more effective and selective ingredients in plant protection. But continuous use of outstanding amount of neonicotinoids in agriculture results in substantial chemical pressure on the environment, particularly because main representatives of this class of insecticides, metabolite, and the mixture of both show pronounced environmental persistence. The importance of the topic and the actuality is underlined by the fact, that there is a great worry worldwide about the decline of pollinators wherein, among others, the extensive use of pesticides is assumed to play a significant role. More and more incidence of the so-called Bee Colony Collapse Disorder (CCD) characterized by rapid disappearance of honey bee colonies have been attempted to be correlated with various agrochemical factors, however there is no direct evidence of the effect was found on bee population. Decision by the EU Commission, that a high risk by neonicotinoids for bees cannot be excluded unless restrictions are imposed, involving withdrawal of authorization of neonicotinoid-treated (imidacloprid, tiamethoxam és clothianidin) seeds for different crops. In order to establish reliable assessment of environmental risks further investigations are required. A new assessment will be carried out within two years on the basis of a review of the new scientific information.
The chronic effects of neonicotinoids and the metabolites on biochemical, reproductive, and survival parameters are described to find any target-selectivity in our model systems. Based our results long-term effects in a non-target (vertebrate/invertebrate) animals are predicted. Quantitative and qualitiative determination of neurotoxic components provide detailed information on decomposition/persistence of these compounds under various biological and environmental conditions, and the data allow it to obtain assessment of environmental/health risks by better evaluation of contamination levels in our surface waters.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Goal of our research is to study effects and decomposition of neonicotinoid insecticides in the environment. Compounds stimulate the nervous system of insects that causes finally death. Ingredients are applied not only as sprays, but for seed coating and soil treatment as well. Due to their systemic action they are translocated to plant tissues and distributed throughout the whole plant, conferring a long-lasting control of insects. Under humid conditions the xylem will be exuded (guttation) forming drops of water at leaf edges that contain the concentrated ingredients. Insects can drink from this liquid and in this way non target species (e.g. pollinators like honey bee) can also be exposed. As role of insects in food-chain are essential (e.g. for birds), therefore decline their populations can involve a risk to the elements of food chain and to our environment. Decision of EU Comission in the last year, which restricted application of certain neonitinoids, will be reviewed within two years considering the new scientific results.
In our project environmental fate and decomposition of compounds will be studied together with appearance of ingredients in surface and ground water after their leaching from soil.
Concentration of insecticides will be measured in guttation liquid in order to determine ingredient uptake of corn crops and weeds near by. During the decomposition toxicity of compounds formed can be modified, therefore a study on possible effects of starting material and decomposition products, on risk assessment and exploration of factors affecting decomposition will be carried out using different test species under laboratory conditions.





 

Events of the project

 
2017-11-06 13:20:25
Résztvevők változása
2014-01-28 15:49:56
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Élelmiszertudományi Kutatóintézet (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ), Új kutatóhely: Agrár-környezettudományi Kutatóintézet (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ).




Back »